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碳纳米管阵列的可控生长及应用
碳纳米管（CNTs）是由一个或多个同心管结构组成的纳米结构，具有优良的机械、电学和热学性质。由于其独特的形貌和性质，CNTs在多种领域中具有广泛的应用前景，如传感器、储能材料、纳米电子器件等。为了实现高质量的CNTs阵列生长和应用，需要对其生长机制和控制方法进行深入研究和开发。
一、CNTs的生长机制
CNTs的生长能够通过化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积等方法实现。其中，CVD方法具有较高的CNTs生长效率和可控性，被广泛应用于CNTs的制备。
CNTs的生长过程主要包括石墨化、核形成、生长以及终止四个阶段。在石墨化阶段，碳源分子（如乙烯、甲烷等）在金属催化剂表面解离，并形成碳原子。随后，在核形成阶段，碳原子聚集形成钻石状结构，并形成CNTs的种子。在生长阶段，碳源分子不断从气相中扩散到CNTs表面，碳原子沿着管道方向分步添加，并生成CNTs。最后，在终止阶段，CNTs的生长停止，但碳源分子仍会在管道表面上聚集，并形成管道口部相应大小的球体等。
二、CNTs阵列的可控生长方法
为了实现高质量的CNTs阵列生长，需要对生长条件进行严格控制。以下是常见的几种CNTs阵列生长方法。
1.催化粒子控制：阵列生长的体系中添加催化剂成分，可以有效地控制CNTs的生长位置、长度和直径等形貌参数。为了确保CNTs的高质量生长，需要控制催化剂浓度、聚集度和粒径分布等因素。
2.基板表面能控制：通过基板表面的化学和物理性质控制CNTs的生长，具有一定的可行性和实用性。例如，基板表面预先花纹化或涂覆不同的聚合物、金属或氧化物等材料，可以在不同的表面能下有选择地生长CNTs阵列。
3.电场控制：电场控制是一种新兴的CNTs阵列生长方法。在电场作用下，CNTs的生长方向可以被有效控制，从而实现了可控的CNTs生长。然而，需要对电场影响的参数进行精确的控制，如电场强度、生长时间等。
三、应用
CNTs阵列由于其独特的形貌和性质，具有广泛的应用前景。
1.传感器：CNTs阵列的高表面积、优异的电学性质和化学稳定性能够将其应用于多种传感器中，如气体传感器、压力传感器和湿度传感器等。
2.储能材料：CNTs阵列作为电极制备的超级电容器，储能性能比传统的电容器和锂离子电池更优异。
3.纳米电子器件：CNTs阵列可用来制备纳米场效应管、纳米线、穿孔电极等器件，因其具有优异的电学性质，可用于构建高集成度、高性能的电子器件。
综上所述，CNTs阵列的可控生长和应用具有重要的科学意义和应用价值，其研究将对纳米技术的发展和推广具有重要的推动作用。